Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2016, 4(6), 195-204 Published Online December 2016 in Hans. /journal/aepe /10.12677/aepe.2016.46025文章引用: 甘丽珍, 刘明周. 基于燃料电池的储能电池系统的热能管理研究进展[J]. 电力与能源进展, 2016, 4(6):Research Progress of Heat Management of Fuel Cell for Energy StorageLizhen Gan *, Mingzhou LiuDepartment of Industrial Engineering, School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei AnhuiReceived: Oct. 20th , 2016; accepted: Nov. 7th , 2016; published: Nov. 11th , 2016 Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractEnergy storage system is effective for current clean and renewable electricity utilization/storage. Reversible fuel cell system, as an efficient future energy conversion system, has been attracting a lot of attentions in the world. However, the reversible storage of clean electric energy based on fuel cell system also needs to meet the commercial requirements of 80% of the energy efficiency. This paper reviews the latest research progress in energy management of the fuel cell system, and the research direction of the energy management of high temperature fuel cell system is pre-sented. KeywordsClean Energy, Fuel Cells, Energy Management基于燃料电池的储能电池系统的热能管理研究进展甘丽珍*，刘明周合肥工业大学机械工程学院工业工程系，安徽 合肥收稿日期：2016年10月20日；录用日期：2016年11月7日；发布日期：2016年11月11日*通讯作者。

甘丽珍，刘明周摘要能源存储系统是有效利用当前清洁能源/电能的主要途径之一。

可逆燃料电池系统，作为高效的能量转换系统，已经在国际上引起广泛关注。

然而，基于燃料电池系统进行清洁电能可逆存储，还需要满足商业化要求的80%的能量循环效率。

本论文综述了当前燃料电池系统能量管理的最新研究进展，并对高温燃料电池系统的能量管理提出了研究方向。

关键词清洁能源，燃料电池，能量管理1. 引言近几十年来，电能存储技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。

电能的存储是伴随着电力工业发展一直存在的问题，其实到现在为止也没有一种非常完美的电能储能技术，但经过几代科学家的努力，一些比较成熟的储能技术在各行各业发挥着重要的作用。

储能的优点有很多，节能、环保、经济。

比如火电厂要求以额定负荷运行，以维持较高的能源转换效率和品质，但用电量却随时间随机变化，如果有大容量、高效率的电能存储技术对电力系统进行调峰，对电厂的稳定运行和节能至关重要。

另外，由于分布式发电在电网中所占的比例越来越高，基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，用以应付用电高峰和突发事件。

随着电力电子学、材料学等学科的发展，现代储能技术已经得到了一定程度的发展，在分布式发电中已经起到了重要作用。

在新能源技术快速发展的大背景下，如果能在风力发电、太阳能光伏发电等新能源发电设备中都配备有储能装置，将会更有效的利用电能。

首先，通过储能元件对机组的出力曲线进行调整，可以解决新能源发电自身出力随机性、不可控的问题，减小新能源出力变化对电网的冲击；其次，可以在电力充沛时储存电能，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用。

储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分。

风力发电系统储能装置的作用是在风力强时，通过风力发电机组向负荷供电，还可将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来，在风力弱或无风时，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。

通过对来自可再生能源的电能的储存与释放，将会使廉价的不稳定的能源变成稳定的具有较高价值的产品。

此外，电网负荷有高峰和低谷特性，电力系统的负荷有峰有谷，用电能储存系统调节电力负荷很有必要。

尤其在风力发电厂，由于风有时候起，有时候停，所以高效、安全、可行性高的储能方法和装置对于风力发电场显得尤为重要。

此外，电池储能技术为解决电力供应链的燃料、发电、输电、配电和用电等问题、实现电网可持续发展提供了全新的途径。

近年来随着国家节能减排政策的实施，储能已经逐渐成为电力生产的第六环节。

电力系统引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段[1] [2]。

燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。

燃料电池的发电原理与其他化学能源一样，即电极提供电子转移的场所，阳极发生燃料(如氢气、甲醇和天然气等)的催化氧化反应，阴极发生氧化剂(氧气或空气)的催化还原反应，电解质将燃料电池阴极和阳极分隔开并为质子提供迁移的通道，电子通过外电路做功并构成电的回路。

但燃料电池的工作方式与常甘丽珍，刘明周规化学电源不同，而是类似于汽油机或柴油机，即燃料电池的燃料和氧化剂不存储在电池内部。

电池发电时燃料和氧化剂通过外部的存储装置连续不断的送入电池内部，电化学反应后部分未反应完的气体和反应生成物排出电池，同时有一定的热量生成[3] [4]。

因此只要源源不断的供应燃料，就可以得到持续不断的电能。

由于燃料电池仅是一种发电装置，而且规模可大幅放大至兆瓦级电站，其发电容量完全取决于燃料存储的多少，因此燃料电池发电规模和容量可控可调，相对于传统电池系统具有巨大优势。

相对而言，电解池储能系统是基于燃料电池的一个可逆的系统。

当燃料电池逆向操作时，则是将电能转化为燃料能源进行能源存储，也就是电能存储的过程。

与燃料电池类似，电解池本质上仍然是能量转化装置，除了具有燃料电池如规模大效率高等特点外，电解池进行电能存储时的容量完全取决于燃料存储规模。

而当燃料电池和电解池相互可逆操作时，即形成了可逆储能电池系统，可以通过燃料电池模式进行发电也可以电解池模式用于电能存储。

2. 基于燃料电池的储能电池系统能量管理储能电池系统的科学管理可有效提高电池系统的能量转换效率，尤其是针对具有典型特点的储能电池系统例如高温储能电池系统。

而对于燃料电池储能电池系统来说，由于其在较为宽泛的温度范围都有不同种类的燃料电池系统，因而能量管理技术和方法也不尽相同[5] [6] [7] [8]。

从可逆燃料电池的运行温度来说，可以粗略地将电池系统分为如下两大类别，即低温储能电池系统和高温储能电池系统[9] [10] [11]，如图1所示。

例如，目前已经大规模商业化应用的质子交换膜电池系统和碱性电池系统基本都是属于低温操作的范畴，最高温度一般不超过100℃，这类储能电池系统可满足大规模的商业化储能，也可以应用于应急电源和军事方面，包括当前最先进的AIP静音潜艇等则是依赖于质子交换膜电池系统。

而紧随其后的则是磷酸盐电池系统，其操作温度范围一般都在近200℃，已经成熟应用于航天科技和太空科技作为备用电源。

随着操作温度的升高，储能电池系统的能量转换效率逐步升高，主要是由于高温操作可以大幅提高电极动力学从而提高系统的能量转换效率。

Figure 1.The schematic of reversible fuel cells with different temperatures and fuel requirements [12]图1. 不同类型的可逆燃料电池工作温度区间及燃料要求[12]甘丽珍，刘明周2.1. 低温储能电池系统的能量管理技术储能电池系统的能量管理系统是一个复杂而庞大的系统，主要包括电池管理系统、热能管理系统以及其他辅助系统例如气路管理系统等。

电池管理系统是连接储能电池系统和用户/负载的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测、电池状态估计、在线诊断与预警、充/放电与预充控制、均衡管理和热管理等。

目前电池管理系统在电动汽车等方面已经广泛使用，通过电池管理系统可以有效控制电池系统的动力输出等，同时也可以检测诸多关键参数。

如上所述，储能电池系统本质上是通过电化学反应实现能量转换，电池管理系统仅从技术角度实现能量有效利用而并未增加电池系统的能量转换效率。

而燃料电池是一种对氢能进行利用的能量转换装置，它可以连续地将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能，同时释放热量。

而热能的有效存储与利用则是直接提高储能电池系统能量转换效率的有效方法。

通常来说，对于不同温度区间的储能电池系统，则需要不同的能量管理方法。

例如，当前已经商业化的质子交换膜储能电池系统(proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC)，是一种典型的低温储能电池系统，其工作温度仅为60℃~85℃，这与环境的温差并不大。

即便如此，该储能电池系统所产生的能量，有近50%左右可以是通过热量的形式排放到环境当中，因而热管理是目前研究的重点之一，有效管理电池运行时产生的水和热，对提高电池系统的性能起着至关重要的作用。